微地震法的原理

1、1.1監(jiān)測原理微地震法注水井水驅(qū)前緣監(jiān)測是指將井下地震技術(shù)用于探測注水引起的壓 力變化從而誘發(fā)的微地震事件，即將高靈敏度的地震傳感器布放于注水井四周相 應(yīng)位置上,連續(xù)記錄因注水誘發(fā)的微地震活動。該技術(shù)通過對注水誘發(fā)的微地震 數(shù)據(jù)連續(xù)采集記錄，標(biāo)定出微地震事件，借助于微地震裂縫診斷，在注水過程中得 到前緣位置。注水時，由于地層壓力的升高，根據(jù)摩爾-庫倫準(zhǔn)則，在壓力升高區(qū) 會發(fā)生微地震。摩爾-庫倫準(zhǔn)則可以寫為：r r0+ 叫-2 )/2+-)cos(2)(1-1)T= Cl-ff2)xsinC2L = J（圣_孟尸+皿 TOC o 1-5 h z t; _. = J（孟一羌），+（%_*），+&，

2、/%（3）經(jīng)變換，（1.3）式可以改寫為:2(T2 -T 2) (X - X )2 - (Y - Y )2P 121212=2TV 2(T - T ) - 2 X (X - X ) - 2Y (Y - Y )0 P 120120122(T2 -T2) - (X - X )2 - (Y - Y )2P 131313=2TV 2(T - T) - 2X (X - X ) - 2Y (Y - Y )0P 13013013（1.4）至（乂6、y6、2(T2 -T 2) - (X - X )2 - (Y - Y )2P 141414=2TV 2(T - T ) - 2 X (X - X ) - 2Y (

3、Y - Y )0P 140140142(T2 -T2) - (X - X )2 - (Y - Y )2P 151515=2TV 2(T - T ) - 2 X (X - X ) - 2Y (Y - Y )0P 150150152(T2 -T2)-(X -X )2 -(Y -Y )2P 161616=2TV 2(T - T ) - 2X (X - X ) - 2Y (Y - Y )0P 16016016式中，T - T是各分站的P波到時，T是發(fā)震時刻；（x、y、0） 160110）是各分站坐標(biāo)；V是P波速度；（X , Y ,Z ）是微震震源的空間坐標(biāo)。T , X ,Y ,ZP0000000是待求

4、的未知數(shù)。未知數(shù)的個數(shù)少于方程個數(shù)，方程組是可解的。解出四個未知 數(shù)的最少方程個數(shù)是四個，這要求至少有四個分站，若有四個分站有記錄信號，便可以進行震源定位。但只有五個以上的站記錄到信號，才會保證足夠的定位精 度。（1.4）式可以寫成標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)矩陣形式，有很多求解矩陣的方法可以解出 TOC o 1-5 h z T , X , Y ;再把T , X , Y代入（1.3）式中就可以得出Z Z就是相對壓裂深度的 0000000，0裂縫高度，由于計算過程的累積作用，高度誤差較大。A = K B(1.5)矩陣A寫為：2(T2 -T2)-(X - X )2 -(Y - Y )2、P 1212122(T2 -

5、T 2)- (X - X )2 - (Y - Y )2P 1313132(T2 -T2) -(X - X )2 -(Y - Y )2 (1.6)P 1414142(T2 -T2) - (X - X )2 - (Y - Y )2P1515152(T2 -T2) - (X - X )2 -(Y - Y )2P161616J矩陣B寫為：2TV 2(T - T ) - 2X (X - X ) - 2Y (Y - Y )、0 P 120120122TV 2(T - T) - 2 X (X - X ) - 2Y (Y - Y)0P130130132TV 2(T - T ) - 2X (X - X ) -

6、2Y (Y - Y ) (1.7)0P140140142TV 2(T - T ) - 2X (X - X ) - 2Y (Y - Y )0P150150152TV 2(T - T ) - 2X (X - X ) - 2Y (Y - Y )0P16016016矩陣K寫為：fT、0 k(1.11)式中a是微裂縫的半長度；七是裂縫中的水壓；3 是裂縫面的法向應(yīng)力；匕 是巖石斷裂韌性，是巖石的固有強度。由式(2.1)可以看出，破裂的臨界強度由巖石本身的性質(zhì)決定，與激勵條件無關(guān)，只在作用達(dá)到破裂條件瞬間才會有微地 震發(fā)生，因此微地震信號的強度也與激勵條件無關(guān)。而破裂發(fā)生的頻度是與激勵條件有關(guān)的，激勵強度

7、越大，單位時間發(fā)生的微地震也越多。地震矩張量Mpp可以寫為： TOC o 1-5 h z 項00 -3 、0 人0(1.12)3 HYPERLINK l bookmark31 o Current Document 00Xu3W= MPP XGNpp(P = 1,2,3 )(1.13)由(1.13)式可以得出5個位移分量:一個近場變形位移,二個近場波動位移， 二個遠(yuǎn)場波動位移。遠(yuǎn)近場是以地震波長為標(biāo)準(zhǔn)的，在我們的使用頻段范圍內(nèi)， 波長約為幾十米。因此，遠(yuǎn)場震相是我們觀測到的主要震相。式中，U3是裂縫面 位移,無論裂縫張開、或閉合，只要U3不等于零，就會形成微地震。由式(1.12) 可以看出,注水

8、若使地層壓力稍有變化，裂縫寬度就會發(fā)生變化，使U3不為零， 形成微地震。這為用微地震監(jiān)測注水前緣提供了理論基礎(chǔ)。監(jiān)測注水前緣本質(zhì)上 是監(jiān)測地層壓力變化前緣。由位移形成的P波位移震幅可以寫為：A = A (,0)/(4兀pya3) u (t-y /a) s(1.14)A 2(,0) = X cos4 0 +X2 sin4 0 cos4 0 + (X + 2p)2 sin4 0 cos4 +2X2 sin20 cos20 cos2 + 2X(X + 2p)sin20 cos2 0 sin2(1.15)+2X(X + 2p)sin 4 0 cos2 sin2 這里：e，中分別是觀測點相對于震源的仰角

9、和方位角，a是P波波速，入、 M是拉梅常數(shù)，u3(t-y/a)是考慮時間延遲的震源介質(zhì)振動的速度幅度，r是傳 播途徑，p是傳播介質(zhì)密度，。在地面觀測時，可以假定e =0，在觀測點的p波位移可以寫為：Aa = X/(4兀pya3) u (t-y /a) s( 1.16)在井下觀測時，可以假定e =n /2,在觀測點的P波位移可以寫為:cos4 8 + (人 + 2|i)2 sin40 + 2X(X + 2|li)2 cos2(|)sim8) u (y /a) s/(4兀pyot3)(1. 17)地震波傳播理論為地震信號分析提供了依據(jù)。儀器要求及配置引用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范：GB 31003102量和單位、

10、ZB D 82005-88、地質(zhì)儀器產(chǎn)品基本安全要求、勞 動法、環(huán)保法。測試施工需要滿足條件作業(yè)單位必須具備以下設(shè)備和人員及其他條件，方可允許進行微地震法水 驅(qū)前緣測試作業(yè)。測試儀器：微地震監(jiān)測（無源微地震地下三維裂縫監(jiān)測）工程儀器應(yīng)具有以下性能標(biāo)準(zhǔn):1、監(jiān)測儀主站和分站之間可為無線傳輸，也可為有線傳輸。傳輸距離應(yīng)不小于 2000m，野外條件（如惡劣天氣、地形起伏、物體遮擋）下實際傳輸距離應(yīng) 不小于1000m。2、儀器采樣率每秒每道不低于1000次，采樣位不低于12位，傳輸?shù)挠行徊?少于10位。3、儀器系統(tǒng)頻帶為50250Hz，硬件應(yīng)排除頻帶以外的噪音信號。4、到時分辨率不大于0.2ms。5

11、、速度型拾震器應(yīng)采用國家定點單位生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)儀器，40-200周幅度平坦。6、儀器在一2050C條件下工作正常。7、儀器連續(xù)工作時間不得少于4h。8、裝有拾震器的分站儀器放在防震箱內(nèi)，跌落試驗采用DZ28.6-84標(biāo)準(zhǔn)。9、儀器在80%相對濕度條件下工作正常。10、儀器振動試驗采用DZ28.3-84標(biāo)準(zhǔn)。11、儀器的平均故障率為3%。，即野外測量300次僅允許出現(xiàn)一次故障。12、無輻射要求微地震法水驅(qū)前緣測試解釋軟件標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測儀器的軟件應(yīng)具有以下性能，軟件滿足儀器硬件的相應(yīng)條件；一、儀器現(xiàn)場監(jiān)測微地震信號時，軟件應(yīng)滿足如下7個標(biāo)準(zhǔn)：1、速度信號的前升起特征一微地震信號至少有3個以上周期信號幅度遞升

12、；2、速度信號的后衰減特征一微地震信號達(dá)到最大幅度后，有3個以上周期信號 幅度遞減；3、速度信號的頻譜特征一微地震信號頻率明顯高于噪聲背景；4、速度信號的幅度特征一微地震信號幅度有別于噪聲背景；5、速度信號的包絡(luò)特征一微地震信號形成一個單立的波包；6、速度信號的拐點特征一微地震信號的頻譜由高頻、低頻二部分組成，由拐點 計算出地震應(yīng)力降符合理論值；7、互相關(guān)特征一在站臺分布所允許的時差范圍內(nèi)，大于5道信號存在著互相關(guān);二、資料回放后處理軟件,應(yīng)再增加如下6個標(biāo)準(zhǔn)：1、加速度信號的前升起特征一微地震信號至少有3個以上周期信號幅度遞升；2、加速度信號的后衰減特征一微地震信號達(dá)到最大幅度后，至少有3個

13、以上周 期信號幅度遞減；3、加速度信號的頻譜特征一微地震信號頻率明顯高于噪聲背景；4、加速度信號的幅度特征一微地震信號幅度有別于噪聲背景；5、加速度信號的包絡(luò)特征一微地震信號形成一個單立的波包；6、加速度信號的拐點特征一微地震信號的頻譜由高頻、低頻二部分組成；現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集筆記本計算機配置技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)1、鐘頻大于1G,內(nèi)存大于1G,硬盤大于40G.手持GPS衛(wèi)星定位儀的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)1、手持GPS衛(wèi)星定位儀須在市場上購買，其應(yīng)具有的功能如下：2、具有全國大中城市公路網(wǎng)和全國大中城市詳圖。3、在零下15C零上70C條件下正常工作。4、接收機并行12通道，可接收差分信號。5、更新率1次/s，連續(xù)。6、水平精度

14、V3m RSM（收星良好時）7、速度精度0.05m/s （穩(wěn)定狀態(tài)）手持通訊電臺的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)1、手持通訊電臺的通訊距離應(yīng)不小于1000m.2、選擇手持通訊電臺時應(yīng)考慮電臺發(fā)射頻率不干擾裂縫監(jiān)測儀器的正常工作。3、備用電源標(biāo)準(zhǔn)（監(jiān)測現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集專用筆記本計算機）4、備用電源須自行研制，為DC.18.5V的直流電源，供電時間應(yīng)大于8hAC/DC轉(zhuǎn) 換器標(biāo)準(zhǔn)AC/DC轉(zhuǎn)換器，又稱之為逆變電源（直流轉(zhuǎn)換為交流220V）當(dāng)野外長時間監(jiān)測時可作為備用電源供計算機使用?？赏赓?50W規(guī)格的AC/DC轉(zhuǎn)換器， 若聯(lián)接其它用電器如照明燈等，可外購大于300W的DC / AC轉(zhuǎn)換器。施工步驟現(xiàn)場使用無源微地震地下（

15、淺埋式）三維裂縫監(jiān)測系統(tǒng)進行監(jiān)測。具體施工 步驟如下：1、第一天，通知生產(chǎn)單位將所要測試的水井停注24小時，使注水壓力下降。 并到現(xiàn)場勘察被監(jiān)測井的位置、地形、地貌。并且布置儀器分站站點。2、第二天，到現(xiàn)場查看注水井油壓數(shù)據(jù)并記錄，開始靜態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測的時 間為90分鐘。順利監(jiān)測后，通知生產(chǎn)單位打開注水井調(diào)至正常注水狀態(tài)，120 分鐘后，進行第一次正常注水測試，測試時間為：90分鐘。然后，再從正常注 水時間算起得第八個小時，進行第二次正常注水測試，測試時間為：90分鐘。 并由生產(chǎn)單位現(xiàn)場人員簽字確認(rèn)單。3、第三天，到現(xiàn)場查注水井油壓數(shù)據(jù)，開始第三次正常注水監(jiān)測（正常注 水24小時后），監(jiān)測的時間為90分鐘。順利監(jiān)測后，并由生產(chǎn)單位現(xiàn)場人員簽 字確認(rèn)單。4、監(jiān)測操作規(guī)程說明：測狀態(tài)，監(jiān)測系統(tǒng)將自動采集、并處理數(shù)據(jù)，實時顯示微震點。監(jiān)測時間到 達(dá)后，并當(dāng)微震事件圖形完全穩(wěn)定并符合質(zhì)量要求時，完成本次現(xiàn)場監(jiān)測，保存 數(shù)據(jù)。（2）、到各分站點，起拔淺埋式檢波器、裝箱、打包完成本次現(xiàn)場監(jiān)測，同 時通知注水站監(jiān)測結(jié)束，恢復(fù)正常生產(chǎn)。5、分站布置要求：（1）、利用井斜數(shù)據(jù)確定監(jiān)測井中靶坐標(biāo)點對地面投影的投影點。并以此投 影點為坐標(biāo)原點，布置6個監(jiān)測分站。（2）、用